伽马信号测量仪器电路设计及应用

李春楠

（中海油服油田技术研究院，河北燕郊，065201）

0 引言

随钻测井是一门多学科的应用技术，包括基本理论、仪器设计、仪器制造、测量数据处理和解释等，目前它已成为储量评估、油储勘探及油气开采等方面不可缺少的工具。Gamma数据对整个地层分析起着非常重要的作用，仪器具有结构简单，操作方便的特点，非常适合应用于满贯测井作业。

1 电路结构

该系统主要完成对井下伽玛信号采集、处理、计数,并把采集到的数据通过总线传送到上位机。GM管的输出信号，经整形处理后连接到计数处理器的通用I/O引脚，计数处理器不断读取引脚的电平状态，并通过电平的高低变换来分辨和记录脉冲。计数芯片记录的脉冲个数通过串口发给主CPU。

总电源：在总线取电时在总线上加一电感即可取得总线电压。总线电压范围是15V～25V，伽玛工程样机电流范围是23.5mA～40mA。工程样机的电流范围是根据总线上电压的变化而得到的不同电流值，电流值是在总线上串电流表测量得到。

高压电源：GM管用总线电源供电，经脉冲高压电路输出800V—1200V直流电压，电压覆盖范围约为120V，电压不稳定度小于30V。

低压电源：低压电路主要用集成电源管理芯片完成从总电源到低压直流电源的转换，经过采样反馈电路，滤波电路和分压电路得到各个电路所需要的低压直流电源。电压不稳定度小于90mV。

地：系统中有模拟地、数字地，电路中模拟地与数字地先单独的连接起来，最终在某一点把模拟地与数字地再连接在一起。不同电压的地和数字地连接在一起，无特殊处理。

图1 电路结构框图

2 高压电源模块

GM管电源用总线电源供电，经脉冲高压电路输出800V—1200V直流电压，电压覆盖范围约为120伏，电压不稳定度小于30V。整个仪器需要1组高压电源，输出电压值要调整到能覆盖16支GM管的全部工作点电压（每一根GM管都要用测试工装确定坪区及工作电压）。该高压电源由主处理芯片的I/O引脚进行开关控制以达到省电目的。

从总线电源分离出来的电源电压VBatt经过频率调制后激励脉冲变压器的原边，副边输出的高压经升压整流滤波电路后再经过分压输出GM激活需要的工作电压。输出电压的反馈电压与基准电压VR经电压比较，控制脉冲变压器激励脉冲的震荡频率，从而实现稳压闭环控制。

3 低压电源模块

系统主电源由稳压+5V、±2.5V和+3V 所组成。+5V电源主要用于通信电路以及高压电源的反馈闭环电路，±2.5V电源主要用于振动量数据采集的模拟电路。+3V电源主要用于主处理芯片和GM整形电路。+5V，±2.5V和+3V的不稳定度不大与90mV。

低压电路主要用集成电源管理芯片完成从总电源到低压直流电源的转换，经过采样反馈电路，滤波电路和分压电路得到各个电路所需要的低压直流电源。低压直流电源由主处理芯片的I/O引脚进行开关控制已达到省电目的。

4 传感器

γ射线的测量采用G-M计数管（盖特弥勒计数管），G-M计数管为一密封的圆柱形玻璃管，中央有一根金属丝作为阳极，玻璃管内涂以导电材料或另装一金属圆筒做为阴极。管内充有一定量的惰性气体和少猝灭气体。计数管的阳极和阴极之间加有适当的工作电压。G-M计数管是一种气体探测器，当带电粒子 （γ射线射）射入时，引起气体分子电离。电离产生的电子在阳极附近的强电场中又产生一系列的电离碰撞，即触发“自持放电”。这一过程中产生的电子和正离子向两极漂移时，在外电路中就产生脉冲信号。

图2 GM管连接电路图

注:GM管的阳极即G-Mg1端应接GM管的坪区电压，阴极应接地。

GM管连接电路图中的G-Mg1接GM 管信号处理电路原理图中的G-Mg1。

5 信号捕捉和整形电路

因为GM管的输出信号比较微弱，而且带有噪声，需要放大和滤波整形处理。单根GM管的输出信号处理电原理图如图3所示。

图3 GM管输出波形

注:整形电路中的VCC1～VCC16是接高压的端点，即接上述高压电路中的Uh1、Uh2、Uh3、Uh4、Uh5，具体的接法根据伽玛管的平区电压而定。

GM管受到γ射线照射产生放电现象，透过电容的输出信号为微弱的负脉冲信号，经滤波电路限幅放大电路变换成数字逻辑电平信号。考虑到G-M管的死时间指标为100微秒，脉宽指标定为150微秒，以保证连续脉冲的分辨能力。一组伽玛探测器由8根GM 管组成，需要图所示的电路8套。整个仪器需要16套这样的整形电路。

GM管为电压型传感器，GM管输出的GM信号波形如图由上图可以得出整形前的G-M脉冲是一个负脉冲，该脉冲的幅度是3V脉冲宽度是200us。

由图4可以得出整形后的G-M脉冲是标准的数字逻辑电平，该脉冲的幅度是3V脉冲宽度是160us。

图4 整形后的波形

6 采集电路

伽玛计数电路由一块专门用于计数的微处理器实现，分为两组，每组可以实现8 路输入的同时计数。电路的同时计数分辨率设计值为10KHz，数据缓冲堆栈为 64 个时间记录数据。经整形电路后的整形后的G-M脉冲是标准的数字逻辑电平，该脉冲的幅度是3V脉冲宽度是不大于160us。8路输入同时计数器对 8 根 GM的输出脉冲整形后分别计数，由GM信号处理电路得到的8个GM信号接入微处理器的八个引脚，由这八个引脚引入计数处理器。定时读取这些引脚，当引脚电平有变化时说明有脉冲到来，按所设定计数时间累计相应的计数器中并堆入计数处理器内部的输出数据缓冲区，并按要求顺序传送到主处理器。主处理器和计数的微处理器用串口进行通讯。

7 实验结果及讨论

试验样机与指定产品的CPS原始数据及图形比较如图5所示，实验结论：

图5 试验样机与指定产品的CPS比较

试验样机CPS净计数值与指定产品的CPS净计数值大小一致，符合要求。

试验样机标准方差与指定产品的标准方差相比，符合要求。

在自然或有源环境下，试验样机与指定产品的变化曲线趋势和大小一致，符合要求。

8 结束语

经测试,该系统工作稳定，同时具备信号处理，滤波，采集，指令传送等处理功能，并标准化了电路板的尺寸及相应的灌封处理，在尺寸上大大缩短，从而很好地缩短仪器长度，提高电路设计的可靠性，且满足实际生产作业的要求。